JP4452779B2 - Film-forming material and method for producing metal material - Google Patents
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Description
この発明は、硬さ、剛性、耐腐食性、耐摩耗性に優れたマグネシウム化合物Mg2X(Xは、Si,Ge,SnおよびPbからなる群から選ばれた元素およびその組合せ、以下、特に記載しない場合は同じ)、該化合物被膜、該化合物被膜を有する金属材料およびそれらの製造方法に関する。The present invention relates to a magnesium compound Mg 2 X (X is an element selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, and Pb, and combinations thereof, which are excellent in hardness, rigidity, corrosion resistance, and wear resistance. The same applies if not described), the compound coating, a metal material having the compound coating, and a method for producing them.
周期律表第4B族に属するSi、Ge、Sn、またはPbの元素Xが、いずれも、マグネシウム(Mg)とMg2Xの化合物を形成することは、平衡状態図にも記載されている。その特性について、例えばMg2Siに関しては、特開平6−81068号公報や特開2000−17352号公報に記載されているように、優れた耐腐食性を有することから、鋼板用亜鉛メッキなどの表面被膜中に耐腐食粒子として分散させる用途がある。しかしながら、Mg2SiをはじめMg2X単体としての使用に関してはこれまで開示がない。
金属材料に耐食性を付与する手段としては、従来、有機被膜あるいは無機被膜を形成させることが一般的であり、その形成には、塗装、メッキ或いは表面改質など様々な方法がある。しかし、これらの方法は、その被膜に十分な硬さを得ることができない、比較的厚い領域の被膜が困難である等の課題がある。
Mg2Xの製造方法に関しては、Mg粉末を用いる場合、粉末表面に安定な酸化被膜(MgO)が存在し、これが元素Xからなる粉末との固相での反応・拡散を阻害する。そのため、従来はまず元素X粉末を固化し、その状態で溶融したMgを含浸・浸透させる方法によりMgと元素Xとの液相反応を進行させてマグネシウム化合物Mg2Xを合成していた。
さらに、Mg2Xの製造方法として、メカニカルアロイング法がある。この方法によれば、使用する出発原料が粉末形状であるため、特にMg粉末では酸素含有量が増大する。その結果、得られるMg2X中の高い酸素量によって各種特性、特に耐腐食性が低減する。また、メカニカルアロイング処理を施した後に得られる試料は粉末状態であるため、取出した際に酸化するといった特性上の問題や爆発による危険性などがあり、マグネシウム化合物Mg2Xの固相合成プロセスには適していなかった。
このような状況下、本発明者は、特願2001−292117号(2001年9月25日出願)、特願2001−292118号(2001年9月25日出願)において、混合原料を管理された加熱雰囲気中でMgの融点以下の適切な固相温度域で加熱/保持することでマトリックス中にMgとSiの反応で微細なMg2Siを生成して分散させたMg2Si粒子分散型マグネシウム複合材料及びその製造方法を提案した。
ところで、向上した硬さ・剛性、耐摩耗性、及び/又は耐腐食性を有するMg2Xを得るには、微細粒を有するMg2Xを合成すればよいことがわかっている。
しかしながら、従来技術により、10μm程度を下回る微細な粒子径を有するMg2X化合物を製造することは困難であった。その理由は、次のようなことによる。即ち、従来の粉末製造技術を用いる際に、微細なSi粒子を粉砕等により得る場合を考慮する。1μmを下回るような微細なSi粒子がたとえ製造されても、Si粒子の表面積増大に基づく静電引力等によってSi粒子同士が凝集し、10〜数十μm程度の粗大な塊が形成される。このような状態でMg粉末と混合して加圧・加熱したとしても、得られるマグネシウム化合物Mg2Siの粒子径は、Si粒子の粒子径に依存して、10μmを越えることとなる。そのため、硬さ、耐摩耗性、及び/又は耐腐食性の向上は見込まれなかった。なお、上述は説明を簡単にするため、Siについてのみ言及したが、このような課題はSiに限らず、Ge、Sn、Pbなどの金属粉末においても同様な問題として生じる。
このような点から、従来技術により10μm程度を下回る微細粒子径を有するMg2X(X:Si、Ge、Sn、Pb)化合物を製造することは困難であった。It is also described in the equilibrium diagram that each element X of Si, Ge, Sn, or Pb belonging to Group 4B of the periodic table forms a compound of magnesium (Mg) and Mg 2 X. Regarding its characteristics, for example, regarding Mg 2 Si, as described in JP-A-6-81068 and JP-A-2000-17352, it has excellent corrosion resistance. There is an application for dispersing as corrosion-resistant particles in a surface coating. However, there is no disclosure so far regarding the use of Mg 2 Si alone as Mg 2 X alone.
As a means for imparting corrosion resistance to a metal material, conventionally, an organic film or an inorganic film is generally formed, and there are various methods such as painting, plating, or surface modification. However, these methods have problems such that a sufficient hardness cannot be obtained for the coating, and it is difficult to coat a relatively thick region.
Regarding the method for producing Mg 2 X, when Mg powder is used, a stable oxide film (MgO) is present on the powder surface, which inhibits reaction and diffusion in the solid phase with the powder composed of element X. Therefore, conventionally, the element X powder is first solidified, and the magnesium compound Mg 2 X is synthesized by advancing a liquid phase reaction between Mg and element X by a method of impregnating and infiltrating Mg in that state.
Further, as the method for producing a Mg 2 X, there is a mechanical alloying method. According to this method, since the starting material to be used is in the form of a powder, the oxygen content increases particularly in the case of Mg powder. As a result, various properties, particularly corrosion resistance, are reduced by the high amount of oxygen in the obtained Mg 2 X. In addition, since the sample obtained after mechanical alloying is in a powder state, there is a problem in characteristics such as oxidation when taken out, and there is a risk of explosion, and the solid phase synthesis process of the magnesium compound Mg 2 X It was not suitable for.
Under such circumstances, the present inventor managed mixed raw materials in Japanese Patent Application No. 2001-292117 (filed on September 25, 2001) and Japanese Patent Application No. 2001-292118 (filed on September 25, 2001). Mg 2 Si particle-dispersed magnesium in which fine Mg 2 Si is generated and dispersed in the matrix by the reaction of Mg and Si by heating / holding in an appropriate solid phase temperature range below the melting point of Mg in a heated atmosphere A composite material and its manufacturing method were proposed.
By the way, in order to obtain Mg 2 X having improved hardness / rigidity, wear resistance, and / or corrosion resistance, it has been known that Mg 2 X having fine grains may be synthesized.
However, it has been difficult to produce an Mg 2 X compound having a fine particle diameter of less than about 10 μm by the conventional technique. The reason is as follows. That is, the case where fine Si particles are obtained by pulverization or the like is considered when using the conventional powder manufacturing technique. Even if fine Si particles smaller than 1 μm are produced, Si particles aggregate due to electrostatic attraction based on an increase in the surface area of the Si particles, and a coarse lump of about 10 to several tens μm is formed. Even if it is mixed with Mg powder in such a state and pressed and heated, the particle diameter of the obtained magnesium compound Mg 2 Si exceeds 10 μm depending on the particle diameter of the Si particles. Therefore, improvement of hardness, abrasion resistance, and / or corrosion resistance was not expected. In the above description, only Si has been mentioned for the sake of simplicity, but such a problem is not limited to Si but also occurs in a metal powder such as Ge, Sn, and Pb.
From such a point, it has been difficult to produce an Mg 2 X (X: Si, Ge, Sn, Pb) compound having a fine particle diameter of less than about 10 μm by the conventional technique.
この発明の目的は、微細粒を有するMg2Xを提供することである。
この発明の他の目的は、向上した硬さ、剛性、耐摩耗性、および/または耐腐食性を有するMg2Xを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有するマグネシウム化合物被膜を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の被膜を形成することのできる被膜形成材料を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有するマグネシウム化合物被膜を表面に形成したマグネシウム合金材料を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有するマグネシウム化合物被膜を表面に形成した金属材料を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有するMg2Xの製造方法を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有するマグネシウム合金材料の製造方法を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、上記の特性を有する金属材料の製造方法を提供することである。
本発明者らは、固相反応によりMg2X粒子を合成する方法を見出した。特に、本発明者らは、上記合成過程で顕著な粒成長(粒子の粗大化現象)を伴わないことを見出した。また、合成されるMg2X粒子の大きさは、出発原料であるX粉末の粒子径とほぼ等しくなることを見出した。
本発明に従ったMg2Xは、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物であって、10ナノメートル(nm)以上、10ミクロン(μm)以下の粒子径(結晶粒径)を有する。
その化合物Mg2Xは1つでも良いが、2つ、3つ・・・の組み合わせ等と少なくとも1つ以上のものとする。また、その化合物Mg2Xを被覆した(被膜を形成した)マグネシウム合金材料または金属材料は、JIS Z 2371に規定される塩水噴霧試験に100時間付しても腐食状況が発生しないことが好ましい。
化合物Mg2Xは、▲1▼10ナノメートル(nm)以上、10ミクロン(μm)以下、好ましくは10〜500nm、より好ましくは30〜250nmの粒子径を有するもの、▲2▼10ナノメートル(nm)以上、500ナノメートル(nm)以下、好ましくは300nm以下、より好ましくは30〜250nmの粒子径を有するもの、▲3▼300ナノメートル(nm)以上、10ミクロン(μm)以下、好ましくは500nm以上(例えば500nm〜5μm)、より好ましくは1〜3μmの粒子径を有するもの、▲4▼10ナノメートル(nm)〜300ナノメートル(nm)の第1の粒子径範囲と300ナノメートル(nm)〜10ミクロン(μm)の第2の粒子径範囲との双方の粒子径範囲の粒子を含んだもの等を採用する。
また、その各Mg2Xは、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で130以上の硬度であるのがよい。このとき、XがSiのMg2Xは、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で300以上、好ましくは300〜450、より好ましくは350〜450の硬度であるのがよい。特に、Mg2Xの粒子径が10〜300nmの場合には、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で330〜450の硬度であるのがよい。
XがGeのMg2Xは、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で230以上、好ましくは230〜400、より好ましくは330〜400の硬度であるのがよい。特に、Mg2Xの粒子径が10〜300nmであり、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で330〜400の硬度であるのがよい。
XがSnのMg2Xは、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で130以上、好ましくは130〜250、より好ましくは160〜250の硬度であるのがよい。特に、Mg2Xの粒子径が10〜300nmであり、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で160〜250の硬度であるのがよい。
XがPbのMg2Xは、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で160以上、好ましくは160〜270、より好ましくは190〜270の硬度であるのがよい。特に、Mg2Xの粒子径が10〜300nmであり、荷重50gを用いるビッカーズ硬度計で190〜270の硬度であるのがよい。
本発明に従ったマグネシウム化合物被膜は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xを主成分とするものである。好ましくは、Mg2Xの粒子径は、10ナノメートル(nm)以上、10ミクロン(μm)以下である。
本発明に従った被膜形成材料は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xを主成分とするものである。
本発明に従ったマグネシウム合金材料は、マグネシウム合金基材と、マグネシウム合金基材上に形成されたマグネシウム化合物被膜とを備える。マグネシウム化合物被膜は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xを主成分とする。好ましくは、マグネシウム合金材料は、JIS Z2371に規定される塩水噴霧試験に100時間付しても腐蝕状況が発生しないものである。
この発明に従った金属材料は、Si,Ge,SnおよびPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウムとの化合物Mg2Xの少なくとも1つを主成分とする被膜を有する。好ましくは、金属材料は、JIS Z 2371に規定される中性塩水噴霧試験に100時間付しても腐食状況が発生しないものである。
この発明に従ったMg2Xの製造方法は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xの第1の試料とマグネシウム(Mg)試料とを、第1の試料:Mg試料のモル比が1:2となるように準備する工程と、第1の試料及びMg試料を配合して配合体を得る工程と、該配合体を塑性加工する塑性加工工程とを備える。塑性加工工程は、配合体を金型臼又は容器内に入れて行うことができる。
上記塑性加工工程後には、さらに加熱工程を有するのがよい。その加熱工程は150℃以上650℃未満、好ましくは200℃以上400℃以下で行うのがよい。このとき、加熱工程は、真空下又は不活性ガス雰囲気下で行うのがよい。塑性加工工程は、配合体を金型臼又は容器内に充填した後、該配合体を圧縮変形、押出変形又は後方押出、並びにこれらの任意の組合せを行い、前記配合体の各試料を混合及び/又は粉砕及び/又は合金化反応させるのがよく、第1の試料とMg試料との一部又はすべてをMg2Xにするのがよい。
また、塑性加工工程は、配合体を圧縮・固化して圧縮固化中間体を得る第1の工程と、圧縮固化中間体を後方に押出し後方押出成形体を得る第2の工程とからなる一組の工程を一回又は複数回繰り返し、これにより得られた後方押出成形体を圧縮・固化する工程によって行われるのがよい。
この発明に従ったマグネシウム合金材料の製造方法は、マグネシウム合金基材の表面にマグネシウム化合物被膜を形成する工程を備える。マグネシウム化合物被膜は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xを主成分とする。
マグネシウム化合物被膜形成工程は、例えば、化合物Mg2Xをスパッタリング法によりマグネシウム合金基材表面に被覆することを含む。一つの例として、化合物Mg2Xを主成分とする被膜形成材料をターゲット材料として用いたスパッタリング法によって行なう。この場合、より具体的には、マグネシウム化合物被膜形成工程を、化合物Mg2Xを主成分とするターゲット材料をイオンビームスパッタリング法によりマグネシウム合金基材の表面に蒸着することにより行う。ターゲット材料として、マグネシウム板と、元素Xからなる板とを交互に貼り合わせたものも使用できる。
他の例として、マグネシウム化合物被膜形成工程を、Mg2Xをマグネシウム合金基材の表面に堆積した後に加圧及び/又は加熱する工程により行う。さらに他の例として、マグネシウム化合物被膜形成工程は、化合物Mg2Xを溶射法によりマグネシウム合金基材の表面に被覆することを含む。さらに他の例として、化合物Mg2Xをグロー放電スパッタリング法によりマグネシウム合金基材の表面に被覆することを含む。さらに他の例として、マグネシウム化合物被膜形成工程は、化合物Mg2Xを塗装法によりマグネシウム合金基材の表面に被覆することを含む。
この発明に従った金属材料の製造方法は、Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xとマグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xを金属材料の表面に被覆する工程と、被覆層を加圧および加熱、又は加圧及び加熱の一方を行って金属材料上に化合物Mg2Xを主成分とする被膜を形成する工程とを備える。
一つの例として、被覆工程は、化合物Mg2Xを溶射法により金属材料の表面に被覆することを含む。他の例として、被覆工程は、化合物Mg2Xをイオンビームスパッタリング法により金属材料の表面に被覆することを含む。さらに他の例として、被覆工程は、化合物Mg2Xを塗装法により金属材料の表面に被覆することを含む。さらに他の例として、被覆工程は、化合物Mg2Xをグロー放電スパッタリング法により金属材料の表面に被覆することを含む。
金属材料は、鉄系、非鉄系のいずれでも良く、前者には、炭素鋼、ステンレス鋼などの特殊鋼、工具鋼および快削鋼などの鉄鋼材料、ダクタイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄などの鋳鉄材料、ステンレス鋳鋼、炭素鋼鋳鋼などの鋳鋼材料などを、また、後者には、マグネシウム合金、アルミニウム合金、チタン合金、銅合金、亜鉛合金、鉛合金、リチウム合金など挙げることができる。
Mg2SiなどのMg2Xは、MgとXを加熱加圧により圧粉焼結体に形成するが、製造可能な限りにおいて、種々の方法を採用できる。例えば、BMA(バルクメカニカルアロイング),ECAP(せん断加工)、HPT(高圧ねじりこみ)、CEC(繰り返し押し出し据えこみ)などの方法により製造する。また、Mg2X粉末は、例えば、スタンプミル、ボールミルなどを使用して粉砕し製造する。このとき、粉末の粒径は、均一な被覆層などの良好な被膜特性面を容易に得られる点から、微細なものであることが好ましく、例えば、100μm以下、より好ましくは、10μm以下とする。
このMg2X粉末を金属材料表面に被覆する(被膜を形成する)には、接合、接着する、或いは溶射法、電着塗装、イオンビームスパッタリング法などによりコーティングし、この作用を繰り返して、薄膜から厚膜にする。その被膜度合(面積)は、用途などにより、全表面或いはその必要とする部分のみ等と適宜に設定すればよい。
接合、接着による被膜は、例えば、Mg2Xを金属材料の表面に所要厚さの層に設けた後、加圧・加熱又は加圧と加熱の一方をすることにより形成する方法を挙げることができる。
溶射による被膜は、アーク溶射、ガス溶射、プラズマ溶射などを挙げることができ、必要に応じて雰囲気を真空或いは減圧下、不活性雰囲気にしてもよい。また、溶射後の被膜に対して、加圧成形を行ったり、或いは熱処理を施すことも、硬さなどの性能を向上させるために用いてもよい。この溶射に際しては、被溶射材(金属材料)の表面をブラスト処理などにより活性化することが好ましい。
イオンビームスパッタリング法は、ターゲット材として、Mg2Xの固化体又はMg2Xを一部含む固化体を用い、イオンビームをターゲット材に照射し、金属材料の表面に蒸着形成する。このとき、未反応分が残っているような場合には、必要に応じて、その蒸着面の後加熱を行うことが好ましい。
塗装による被膜は、Mg2Xの粉末あるいはMg2Xを一部含む粉末を含有する塗料をはけ塗り、スプレー、浸漬塗装、粉体塗装、電着塗装などにより金属材料の表面に塗装し、必要に応じて、予熱、後加熱などの硬化処理を行う。また、必要に応じて、展着剤としてエポキシ樹脂などの合成樹脂或いはシリケートや水ガラスなどの無機系のものを用いる。さらに、各種顔料、添加剤を混入してもよい。
このようにして製造したMg2X被覆の(被覆を有する)金属材料の用途としては、鉄系は構造物、管類、機械部品など、非鉄系としては、構造用部品、家電部品、機械部品、介護福祉器具、スポーツ部品、ホビー用品などを挙げることができる。An object of the present invention is to provide Mg 2 X having fine grains.
Another object of the present invention is to provide Mg 2 X having improved hardness, stiffness, wear resistance, and / or corrosion resistance.
Still another object of the present invention is to provide a magnesium compound film having the above-mentioned characteristics.
Still another object of the present invention is to provide a film forming material capable of forming the above film.
Still another object of the present invention is to provide a magnesium alloy material having a magnesium compound film having the above characteristics formed on the surface thereof.
Still another object of the present invention is to provide a metal material having a magnesium compound film having the above characteristics formed on the surface thereof.
Still another object of the present invention is to provide a method for producing Mg 2 X having the above characteristics.
Still another object of the present invention is to provide a method for producing a magnesium alloy material having the above characteristics.
Still another object of the present invention is to provide a method for producing a metal material having the above characteristics.
The present inventors have found a method for synthesizing Mg 2 X particles by solid phase reaction. In particular, the present inventors have found that there is no significant grain growth (grain coarsening phenomenon) in the synthesis process. The size of the synthesized are
Mg 2 X according to the present invention is a compound of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg), and is 10 nanometers (nm) or more and 10 microns (μm). It has the following particle size (crystal particle size).
The number of the compound Mg 2 X may be one, but it should be at least one, such as a combination of two, three, etc. Further, it is preferable that the magnesium alloy material or metal material coated with the compound Mg 2 X (formed with a film) does not cause corrosion even when subjected to a salt spray test defined in JIS Z 2371 for 100 hours.
Compound Mg 2 X has (1) a particle size of 10 nanometers (nm) or more and 10 microns (μm) or less, preferably 10 to 500 nm, more preferably 30 to 250 nm, and (2) 10 nanometers ( nm) to 500 nanometers (nm), preferably 300 nm or less, more preferably 30 to 250 nm, (3) 300 nanometers (nm) to 10 microns (μm), preferably One having a particle diameter of 500 nm or more (for example, 500 nm to 5 μm), more preferably 1 to 3 μm, (4) a first particle diameter range of 10 nanometers (nm) to 300 nanometers (nm) and 300 nanometers ( nm) to 10 microns (μm), and those containing particles in both particle size ranges.
Further, each Mg 2 X should have a hardness of 130 or more by a Vickers hardness tester using a load of 50 g. At this time, Mg 2 X in which X is Si has a hardness of 300 or more, preferably 300 to 450, more preferably 350 to 450 in a Vickers hardness meter using a load of 50 g. In particular, when the particle diameter of Mg 2 X is 10 to 300 nm, the hardness is preferably 330 to 450 with a Vickers hardness meter using a load of 50 g.
Mg 2 X, in which X is Ge, has a hardness of 230 or more, preferably 230 to 400, more preferably 330 to 400 in a Vickers hardness meter using a load of 50 g. In particular, the particle diameter of Mg 2 X is 10 to 300 nm, and the hardness is preferably 330 to 400 with a Vickers hardness meter using a load of 50 g.
Mg 2 X in which X is Sn has a hardness of 130 or more, preferably 130 to 250, and more preferably 160 to 250 in a Vickers hardness meter using a load of 50 g. In particular, it is preferable that the particle diameter of Mg 2 X is 10 to 300 nm and the hardness is 160 to 250 with a Vickers hardness tester using a load of 50 g.
Mg 2 X in which X is Pb is a Vickers hardness meter using a load of 50 g, and has a hardness of 160 or more, preferably 160 to 270, more preferably 190 to 270. In particular, the particle diameter of Mg 2 X is 10 to 300 nm, and the hardness is 190 to 270 with a Vickers hardness meter using a load of 50 g.
The magnesium compound coating according to the present invention is mainly composed of a compound Mg 2 X of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg). Preferably, the particle size of Mg 2 X is 10 nanometers (nm) or more and 10 microns (μm) or less.
The film forming material according to the present invention is mainly composed of a compound Mg 2 X of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg).
The magnesium alloy material according to the present invention includes a magnesium alloy base material and a magnesium compound coating formed on the magnesium alloy base material. The magnesium compound coating is composed mainly of a compound Mg 2 X of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg). Preferably, the magnesium alloy material does not cause corrosion even when subjected to a salt spray test specified in JIS Z2371 for 100 hours.
The metal material according to the present invention has a coating containing as a main component at least one of a compound Mg 2 X of element X and magnesium selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb. Preferably, the metal material does not cause corrosion even when subjected to a neutral salt spray test specified in JIS Z 2371 for 100 hours.
The manufacturing method of Mg 2 X according to the present invention includes a first sample of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, and Pb and a magnesium (Mg) sample. A step of preparing the molar ratio to be 1: 2; a step of blending the first sample and the Mg sample to obtain a blend; and a plastic working step of plastically processing the blend. The plastic working process can be performed by putting the blended body in a mold die or a container.
It is preferable to further include a heating step after the plastic working step. The heating step is performed at 150 ° C. or higher and lower than 650 ° C., preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. At this time, the heating step is preferably performed in a vacuum or in an inert gas atmosphere. In the plastic working step, the compounded body is filled in a mold die or a container, and then the compounded body is subjected to compression deformation, extrusion deformation or backward extrusion, and any combination thereof, and each sample of the compound is mixed and It is preferable to perform pulverization and / or alloying reaction, and it is preferable that part or all of the first sample and the Mg sample are made of Mg 2 X.
The plastic working step is a set of a first step in which the compounded body is compressed and solidified to obtain a compression-solidified intermediate, and a second step in which the compression-solidified intermediate is extruded backward to obtain a rear extrusion molded body. This step may be repeated once or a plurality of times, and may be performed by a step of compressing and solidifying the backward extruded product obtained thereby.
The manufacturing method of the magnesium alloy material according to the present invention includes a step of forming a magnesium compound film on the surface of the magnesium alloy substrate. The magnesium compound coating is composed mainly of a compound Mg 2 X of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg).
The magnesium compound film forming step includes, for example, coating the surface of the magnesium alloy substrate with the compound Mg 2 X by a sputtering method. As one example, the sputtering is performed by using a film forming material mainly containing the compound Mg 2 X as a target material. In this case, more specifically, the magnesium compound film forming step is performed by depositing a target material mainly composed of the compound Mg 2 X on the surface of the magnesium alloy substrate by an ion beam sputtering method. As the target material, a material obtained by alternately bonding a magnesium plate and a plate made of the element X can be used.
As another example, the magnesium compound film forming step is performed by a step of applying pressure and / or heating after depositing Mg 2 X on the surface of the magnesium alloy substrate. As yet another example, the magnesium compound film forming step includes coating the surface of the magnesium alloy substrate with the compound Mg 2 X by a thermal spraying method. Yet another example includes coating the surface of the magnesium alloy substrate with the compound Mg 2 X by glow discharge sputtering. As yet another example, the magnesium compound film forming step includes coating the surface of the magnesium alloy substrate with the compound Mg 2 X by a coating method.
A method for producing a metal material according to the present invention includes a step of coating a surface of a metal material with a compound Mg 2 X of an element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, and Pb and magnesium (Mg), and coating Forming a film mainly composed of the compound Mg 2 X on the metal material by pressurizing and heating the layer or performing one of pressurization and heating.
As one example, the coating step includes coating the surface of the metal material with the compound Mg 2 X by a thermal spraying method. As another example, the coating step includes coating the surface of the metal material with the compound Mg 2 X by ion beam sputtering. As yet another example, the coating step includes coating the surface of the metal material with the compound Mg 2 X by a coating method. As yet another example, the coating step includes coating the surface of the metal material with the compound Mg 2 X by glow discharge sputtering.
The metal material may be either ferrous or non-ferrous, and the former includes steel materials such as carbon steel and stainless steel, steel materials such as tool steel and free-cutting steel, cast iron materials such as ductile cast iron and gray cast iron, stainless steel Cast steel materials such as cast steel and carbon steel cast steel, and the latter include magnesium alloy, aluminum alloy, titanium alloy, copper alloy, zinc alloy, lead alloy, lithium alloy and the like.
In order to coat this Mg 2 X powder on the surface of a metal material (form a coating), bonding, adhesion, or coating by thermal spraying, electrodeposition coating, ion beam sputtering, etc. To thick film. The degree of coating (area) may be appropriately set as the entire surface or only the necessary portion depending on the application.
For example, a film formed by bonding and adhesion may be formed by applying Mg 2 X to the surface of the metal material in a layer having a required thickness, and then pressing or heating, or pressing and heating. it can.
Examples of the coating by thermal spraying include arc thermal spraying, gas thermal spraying, and plasma thermal spraying, and the atmosphere may be changed to an inert atmosphere under vacuum or reduced pressure as necessary. Moreover, you may use in order to improve performance, such as performing pressure forming or heat processing with respect to the coating after a thermal spraying. In this thermal spraying, it is preferable to activate the surface of the sprayed material (metal material) by blasting or the like.
Ion beam sputtering method, as a target material, the solid material used including partially solidified, or
Coating by painting, painted brushed with paint containing powder containing some powder or
As for the use of the Mg 2 X-coated (with coating) metal material thus manufactured, iron-based structures, pipes, mechanical parts, etc., non-ferrous-based structural parts, home appliance parts, mechanical parts, etc. Assistive care equipment, sports parts, hobby supplies, etc.
図1は、この発明の化合物Mg2Xの製造方法を示すフロー図である。
図2は、この発明の化合物Mg2Xの製造方法の一工程である強塑性加工工程の一態様を模式的に示す図である。
図3は、Mg2X被膜を有する金属材料を製造する一態様を示す図である。
図4は、他の金属材料を製造する一態様であるガス溶射法を説明する図である。
図5は、他の金属材料を製造する一態様であるイオンビームスパッタリング法を説明する図である。
図6は、実施例2の固化体A−8(a)及びその出発原料(b)のX線回折(XRD)結果を示す図である。
図7は、実施例2の固化体A−8のTEM観察結果を示す図である。
図8は、実施例2の固化体A−7のTEM観察結果を示す図である。
図9は、実施例3の固化体A−9のTEM観察結果を示す図である。
図10は、実施例3によって得られた最終生成物A−9’のTEM観察結果を示す図である。
図11は、実施例4のX線回折図である。
図12は、実施例4の断面図である。FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing the compound Mg 2 X of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing one embodiment of a strong plastic working step which is one step of the method for producing the compound Mg 2 X of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment for producing a metal material having an Mg 2 X coating.
FIG. 4 is a diagram for explaining a gas spraying method which is an embodiment for producing another metal material.
FIG. 5 is a diagram for explaining an ion beam sputtering method which is an embodiment for producing another metal material.
FIG. 6 is a diagram showing the results of X-ray diffraction (XRD) of solidified product A-8 (a) of Example 2 and its starting material (b).
FIG. 7 is a diagram showing a TEM observation result of the solidified body A-8 of Example 2.
FIG. 8 is a diagram showing a TEM observation result of solidified body A-7 of Example 2.
FIG. 9 is a diagram showing a TEM observation result of the solidified body A-9 of Example 3.
FIG. 10 is a diagram showing a TEM observation result of the final product A-9 ′ obtained in Example 3.
FIG. 11 is an X-ray diffraction diagram of Example 4.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the fourth embodiment.
以下、この発明を、化合物Mg2X及びその製造方法、並びに該化合物Mg2Xを被膜として有する金属材料及びその製造方法の順で詳細に説明する。
<化合物Mg2X及びその製造方法>
この発明の化合物Mg2X(X:Si、Ge、Sn、Pb)の粒子径(結晶粒径)は、10nm以上10μm以下である。好ましくは、5μm以下であるのがよい。前述のように、従来法で得られるMg2Xは、せいぜいで10μm程度である。また、Mg2Xの粒子径が10μm以下、特に5μm以下、好ましくは3μm以下であると、硬さ及び/又は耐腐食性が向上する。さらに、Mg2Xの特性は、その粒子径が300nm〜500nmを境に著しく向上する。したがって、この発明の化合物Mg2Xの粒子径は、10nm〜500nm、又は10nm〜300nmであるのがよい。なお、より好ましくは30〜250nmであるのがよい。
例えば、耐腐食性に関して評価すると、次のようになる。即ち、JIS Z2371に規定された塩水噴霧試験(35℃に管理した5%食塩水)により耐腐食性を評価する。Mg2Xの粒子径が10μm以上の場合、腐食開始時間は試験開始後10〜15時間程度であるのに対し、Mg2Xの粒子径が5〜10μmでは同20時間程度、500nm〜5μmの場合には同30〜50時間、粒子径が500nm以下になると70〜100時間となり、粒子径の減少と共に耐腐食性は向上する。
また、硬さに関して評価すると、次のようになる。即ち、Mg2Xの硬さ(マイクロビッカーズ硬さ;荷重50g付与)は、表1に記載するように、300nmを下回る超微細なナノ粒子レベルにまで至ると、硬さの顕著な増加が生じる。なお、粒子径がさらに小さくなり、例えば10nmを下回っても硬さに関しての特性の更なる向上は認められない。その一方で、後述するMg2Xの固相合成に要する塑性加工時間が長くなるために経済性の面において不利となる傾向が生じる。
次に、この発明の化合物Mg2Xの製造方法を図1のフローを用いて説明する。
出発原料として、純Mgと元素Xを用いる。純Mgは、粉末状、チップ状又は塊状素材を用いることができる。また、元素Xは、Si、Ge、Sn及びPbから選ばれる1種類であり、粉末状、チップ状又は塊状素材を用いることができる。モル比でMg:X=2:1となるように各出発原料を秤量し、両者を配合・混合する。このとき、Xとして2以上の元素を用いてもよい。
この配合・混合体に対して繰返し塑性加工を施す。これにより、その加工過程でMgと元素Xとが固相反応することによって粒子径300〜500nm以下のマグネシウム化合物Mg2Xが合成される。したがって、後述する加熱処理工程を有することなく、塑性加工工程により、Mg2Xが合成される。このとき、Xが2種以上であれば、2種以上のMg2Xが合成される。
塑性加工工程の際、出発原料がすべてマグネシウム化合物Mg2Xへと合成される場合、そのMg2Xの粒子径は、上記範囲、即ち10〜500nm以下である。
一方、出発原料がすべてMg2Xに合成されることなく、未反応のMgと元素Xが残存する場合がある。この場合、元素Xの粒子径は300nm〜10μm程度である。未反応のMgと元素Xとは、さらに加熱処理を行うことにより、Mg2Xへの合成をすることができる。この際に得られるMg2Xの粒子径は、未反応のX粉末の粒子径と同等の300nm〜10μm、例えば500nm〜10μmとなる。最終的に得られるMg2Xの粒子径は、塑性加工工程によって得られる10〜500nmのものと、熱処理工程によって得られる300nm〜10μm(例えば500nm〜10μm)との双方が存在する。
上記塑性加工工程は、種々の手段によって行うことができる。その一例を、図2を参照しつつ、以下に説明する。
図2の(a)は、金型臼1と下パンチ3とで形成された器に出発原料の配合・混合体5を充填した模式図である。
次いで、配合・混合体は、塑性加工工程(b)〜(f)に付される。塑性加工工程(b)〜(f)は、圧縮用上パンチ7と押込用上パンチ9とを備えるプレス加工機で行われる。なお、ここで用いるプレス加工機として既存の油圧式、機械式、スクリュー式など、いずれの駆動方式のプレス機であっても使用することができる。
工程(b)は、圧縮用上パンチ7を金型臼内に下降させて、配合・混合体が圧縮・固化される。次いで、圧縮用上パンチ7を上昇させた(工程(c))後、工程(d)では、押込用上パンチ9を金型臼1内に下降させる。この際、工程(d)の図に示すように、圧縮固化した配合・混合体(固化体)が後方(矢印Bの方向)に押出されることによって塑性加工が付与され、Mg及び元素Xが機械的に粉砕されて微細化する。
次に、押込用上パンチ9を上昇させた(工程(e))後、再度、圧縮用上パンチ7を金型臼1内に下降させて図2(f)においてU字型となっている固化体を圧縮する。これにより、金型臼1内面に沿って存在する固化体が金型臼1内側(矢印Cの方向)に回りこむ。これら一連の作業(b)〜(f)により、配合・混合体は、より混合・攪拌され且つ各出発原料は微細化される。
一連の作業(b)〜(f)、即ち圧縮過程(圧縮用上パンチ7による加圧・圧縮加工)と押込用上パンチ9による後方押出塑性加工とを1サイクルとして、所定のサイクル数を繰返すことにより、Mg及びXの均一混合及び微細化を経て、固相拡散現象によってMg2Xが合成される。
この加工において、出発原料の配合・混合体に与える塑性加工量を制御することにより、Mg2Xの粒子径を10〜500nmの範囲で調整することができる。また、その塑性加工量は、種々のパラメータを変化することによって、制御することができる。例えば、パラメータとして、(b)〜(f)のサイクル数、(d)の押込用上パンチ9の荷重及び速度、金型臼1の内径と押込用上パンチ9の外径との関係、(f)の圧縮用上パンチ7の荷重及び速度などを挙げることができる。
なお、金型臼1の底部での配合・混合体が停滞することを解消するため、必要に応じて、あるサイクル数間隔で金型臼1を上下反転させるか、又は配合・混合体を取り出した後に該配合・混合体を上下反転して再度圧縮・後方押出加工を施す、などの方法を行うことも有効である。
作業(b)〜(f)を所定のサイクル繰り返した後に、作業(b)を行うことで、円筒状の固化体(図2(g))を得ることができる。固化体は、上述のように、MgとXとがすべて反応している場合、粒子径10〜500nmのMg2Xのみからなり、すべて反応していない場合、上記範囲の粒子径を有するMg2X、並びに未反応Mg及びXからなる。
塑性加工工程後に、加熱処理工程を有する場合、その加熱温度は、150℃以上650℃未満、好ましくは200℃以上400℃以下であるのがよい。Mgの融点である650℃を越えると、Mgの液相が出現し、元素Xと反応して得られるMg2Xの粒子径が粗大化する傾向が生じる。また、150℃未満であると、MgとXとの間で十分に反応が進行せず、加熱処理後であっても未反応のMgおよびXが残存するため、好ましくない。特に、加熱処理によって微細粒を有するMg2Xを得るには、加熱温度が200℃以上400℃以下であるのがよい。なお、試料の酸化抑制の観点から加熱雰囲気は、真空下又は不活性ガス下とすることが望ましい。
<Mg2X被膜を有する金属材料とその製造方法>
Mg2X被膜を有する金属材料は、基材となる金属材料の表面にMg2X被膜を有してなる。「表面」は、Mg2X被膜を有する金属材料の用途などに依存するが、金属材料の全表面であっても一部であってもよい。金属材料は、マグネシウム合金材料であってもよいし、それ以外の金属または合金材料であってもよい。
マグネシウム合金は、マグネシウムを主要成分として含む合金であれば、いずれのものを用いてもよい。例えば、AZ31合金、AM60合金、AZ91合金、ZK60合金、ZM20合金などが挙げられる。
以下の方法により、金属材料の表面にMg2X被膜を設けることができる。即ち、基材である金属材料と、上述のMg2Xの固化体又はMg2Xを一部に含む固化体とを準備する工程;及び金属材料の表面に固化体の層を、従来より公知の方法を用いて設ける工程;並びに、必要ならば、固化体中の未反応のMg及びXを反応させるために加熱する工程;及び/又は、固化体の層と基材である金属材料との密着性を高める工程を有することにより、Mg2X被膜を有する金属材料を得ることができる。
なお、ここで「Mg2Xの固化体」とは、上述のMg2Xの製造方法で、すべてのMgとXとが反応して得られた固化体を示し、「Mg2Xを一部に含む固化体」とは、MgとXとの一部が反応してMg2Xとなり一部が未反応のMg及びXが残存する状態の固化体、例えば図2(g)に示すものをいう。
また、必要ならば有してもよい工程である「固化体中の未反応のMg及びXを反応させるために加熱する工程」における加熱温度は、150℃以上650℃未満、好ましくは200℃以上400℃以下であるのがよい。前述したように、Mgの融点である650℃を越えると、Mgの液相が出現し、元素Xと反応して得られるMg2Xの粒子径が粗大化する傾向が生じる。また、150℃未満であれば、MgとXとの間で十分に反応が進行せず、熱処理後であっても未反応のMgおよびXが残存するため、好ましくない。特に、微細粒のMg2Xを創製するためには、加熱温度は200℃以上400℃以下がより好ましい。なお、試料の酸化抑制の観点から加熱雰囲気は、真空下又は不活性ガス下とすることが望ましい。
金属材料の表面に固化体の層を設ける工程について、図面を参照しつつ、より具体的に説明する。
図3は、金型11内に挿入した金属材料13の表面に固化体15を配置し、その後、加熱及び/又は加圧するこにより、固化体と金属材料とを接合させる工程及びそれによって得られる「Mg2X被膜19を有する金属材料17」を示している。この方法を用いた場合、得られるMg2X被膜の厚さは、用いる固化体の厚さにほぼ依存し、一般的には数mm程度の厚さとなる傾向にある。
他の方法として、溶射法を適用することができる。具体的には、アーク溶射、プラズマ溶射、ガス溶射、HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)法などが挙げられる。図4は、一例としてガス溶射を示している。この方法は、金属材料13に、溶射ガン20からアセチレンガスと酸素ガスとの混合ガスを燃焼させたガス炎20aを吐出させ、そのガス炎20aにMg2X粉末15aを送り込んで、そのMg2X粉末を金属材料13の表面に溶射してMg2X被膜19を形成する。
また、別の方法として、図5に示すイオンビームスパッタリング法を適用することもできる。この図5において、ターゲット材21として上述のMg2X固化体又はMg2Xを一部に含む固化体を用いることができる。イオンビームをターゲット材21に照射することにより、Mg2Xを被膜19として金属材料13の表面に蒸着・形成することができる。
なお、固化体として、Mg2Xを一部に含む固化体を用いた場合、固化体中の未反応Mg及び未反応Xが気相中又はターゲット材上などで反応してMg2Xを形成し、該Mg2Xを被膜として金属材料表面に蒸着・形成することができる。また、未反応Mg及び未反応Xがそのまま金属材料表面に蒸着・形成される場合もある。後者の場合、未反応Mg及び未反応Xを反応させるため、蒸着形成した層をさらに加熱工程に付するのがよい。加熱工程の加熱温度は、上述の温度、即ち150℃以上650℃未満、好ましくは200℃以上400℃以下であるのがよい。
このようにして得られた化合物Mg2Xは、ナノスケールの微細構造粒子から構成されるため、硬さ・耐摩耗性・耐腐食性に優れる。また、この化合物を被膜として金属材料表面に形成することにより、その金属材料自身の機械的特性・耐摩耗性・耐食性を向上させることができる。したがって、軽量化ニーズの高い構造用部品、例えば二輪車・自動車部品;家電部品;機械部品:パイプや棒状素材からなる介護福祉器具(車椅子・介護用ベッド・杖・福祉車両など);スポーツ製品や釣具などのホビー用品;等の、マグネシウム合金の使用が望まれる部品・製品に本発明を適用し、硬さ・耐腐食性・耐摩耗性を大幅に向上させることができる。
以下、実施例に基づいて、この発明をさらに詳細に説明するが、この発明は本実施例に限定されるものではない。Hereinafter, the present invention will be described in detail in the order of the compound Mg 2 X and its production method, and the metal material having the compound Mg 2 X as a coating and its production method.
<Compound Mg 2 X and production method thereof>
The particle diameter (crystal particle diameter) of the compound Mg 2 X (X: Si, Ge, Sn, Pb) of the present invention is 10 nm or more and 10 μm or less. Preferably, it is 5 μm or less. As described above, Mg 2 X obtained by the conventional method is about 10 μm at most. Further, when the particle diameter of Mg 2 X is 10 μm or less, particularly 5 μm or less, preferably 3 μm or less, hardness and / or corrosion resistance is improved. Furthermore, the properties of Mg 2 X are remarkably improved with the particle diameter of 300 nm to 500 nm as a boundary. Therefore, the particle diameter of the compound Mg 2 X of the present invention is preferably 10 nm to 500 nm, or 10 nm to 300 nm. More preferably, the thickness is 30 to 250 nm.
For example, the corrosion resistance is evaluated as follows. That is, the corrosion resistance is evaluated by a salt spray test (5% saline controlled at 35 ° C.) defined in JIS Z2371. If the particle size of Mg 2 X is not less than 10 [mu] m, whereas the corrosion start time is about 10 to 15 hours after start of the test, the particle size of Mg 2 X is the 20 hour or so at 5 to 10 [mu] m, the 500nm~5μm In this case, when the particle size becomes 500 nm or less for the same 30 to 50 hours, it becomes 70 to 100 hours, and the corrosion resistance improves as the particle size decreases.
In addition, the hardness is evaluated as follows. That is, as described in Table 1, the hardness of Mg 2 X (micro Vickers hardness; imparting a load of 50 g) causes a remarkable increase in hardness when it reaches an ultrafine nanoparticle level below 300 nm. . In addition, even if the particle size is further reduced, for example, less than 10 nm, no further improvement in properties regarding hardness is observed. On the other hand, since the plastic processing time required for the solid phase synthesis of Mg 2 X, which will be described later, becomes long, there is a tendency to be disadvantageous in terms of economy.
Next, a method for producing the compound Mg 2 X of the present invention will be described using the flow of FIG.
Pure Mg and element X are used as starting materials. Pure Mg can use a powder form, a chip form, or a block material. The element X is one kind selected from Si, Ge, Sn, and Pb, and a powdery, chip-like, or massive material can be used. Each starting material is weighed so that the molar ratio is Mg: X = 2: 1, and both are blended and mixed. At this time, two or more elements may be used as X.
This compounding / mixture is repeatedly subjected to plastic working. As a result, a magnesium compound Mg 2 X having a particle size of 300 to 500 nm or less is synthesized by a solid phase reaction between Mg and the element X in the processing process. Therefore, Mg 2 X is synthesized by the plastic working process without having the heat treatment process described later. At this time, if X is 2 or more types, 2 or more types of Mg 2 X are synthesized.
When all the starting materials are synthesized into the magnesium compound Mg 2 X during the plastic working step, the particle diameter of the Mg 2 X is in the above range, that is, 10 to 500 nm or less.
On the other hand, unreacted Mg and element X may remain without all starting materials being synthesized into Mg 2 X. In this case, the particle diameter of the element X is about 300 nm to 10 μm. Unreacted Mg and element X can be synthesized into Mg 2 X by further heat treatment. The particle diameter of Mg 2 X obtained at this time is 300 nm to 10 μm, for example, 500 nm to 10 μm, which is equivalent to the particle diameter of the unreacted X powder. The particle diameter of Mg 2 X finally obtained is both 10 to 500 nm obtained by the plastic working process and 300 nm to 10 μm (for example, 500 nm to 10 μm) obtained by the heat treatment process.
The plastic working process can be performed by various means. An example thereof will be described below with reference to FIG.
(A) of FIG. 2 is a schematic diagram in which a container formed by the mold die 1 and the lower punch 3 is filled with a blend / mixture 5 of starting materials.
Next, the blend / mixture is subjected to plastic working steps (b) to (f). The plastic working steps (b) to (f) are performed by a press machine including an
In the step (b), the
Next, after the upper punch 9 for pushing is raised (step (e)), the
A series of operations (b) to (f), that is, a compression process (pressing / compressing with the
In this processing, the particle diameter of Mg 2 X can be adjusted in the range of 10 to 500 nm by controlling the amount of plastic processing given to the blend / mixture of starting materials. Moreover, the amount of plastic working can be controlled by changing various parameters. For example, as parameters, the number of cycles (b) to (f), the load and speed of the upper punch 9 for pressing (d), the relationship between the inner diameter of the
In order to eliminate the stagnation of the compound / mixture at the bottom of the mold die 1, the mold die 1 is turned upside down at a certain cycle number or the compound / mixture is taken out as necessary. After that, it is also effective to perform a method such as turning the blend / mixture upside down and performing compression / backward extrusion again.
By repeating the operations (b) to (f) for a predetermined cycle and then performing the operation (b), a cylindrical solid body (FIG. 2 (g)) can be obtained. As described above, when all of Mg and X are reacted, the solidified body is composed only of Mg 2 X having a particle diameter of 10 to 500 nm. When all of the solid bodies are not reacted, Mg 2 having a particle diameter in the above range is used. X and unreacted Mg and X.
When it has a heat treatment process after a plastic working process, the heating temperature is 150 to 650 degreeC, Preferably it is 200 to 400 degreeC. When the melting point of Mg exceeds 650 ° C., a liquid phase of Mg appears, and the particle diameter of Mg 2 X obtained by reacting with element X tends to increase. Further, if it is lower than 150 ° C., the reaction does not proceed sufficiently between Mg and X, and unreacted Mg and X remain even after heat treatment, which is not preferable. In particular, in order to obtain Mg 2 X having fine particles by heat treatment, the heating temperature is preferably 200 ° C. or more and 400 ° C. or less. Note that, from the viewpoint of suppressing the oxidation of the sample, the heating atmosphere is desirably under vacuum or under an inert gas.
<Metal material having Mg 2 X coating and method for producing the same>
Metallic material having a
Any magnesium alloy may be used as long as it contains magnesium as a main component. For example, AZ31 alloy, AM60 alloy, AZ91 alloy, ZK60 alloy, ZM20 alloy, etc. are mentioned.
The Mg 2 X coating can be provided on the surface of the metal material by the following method. That is, the metallic material is a substrate comprises providing a solid material comprising a portion of solid material or
Here, "
Further, the heating temperature in the “step of heating to react unreacted Mg and X in the solidified body”, which may be included if necessary, is 150 ° C. or higher and lower than 650 ° C., preferably 200 ° C. or higher. It is good that it is 400 degrees C or less. As described above, when the melting point of Mg exceeds 650 ° C., a liquid phase of Mg appears, and the particle diameter of Mg 2 X obtained by reacting with element X tends to be coarse. Moreover, if it is less than 150 degreeC, since reaction does not fully advance between Mg and X and unreacted Mg and X remain | survive even after heat processing, it is not preferable. In particular, in order to create fine-grained Mg 2 X, the heating temperature is more preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. Note that, from the viewpoint of suppressing the oxidation of the sample, the heating atmosphere is desirably under vacuum or under an inert gas.
The step of providing a solidified layer on the surface of the metal material will be described more specifically with reference to the drawings.
FIG. 3 shows a process of placing the solidified
As another method, a thermal spraying method can be applied. Specific examples include arc spraying, plasma spraying, gas spraying, and HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) method. FIG. 4 shows gas spraying as an example. In this method, the
Alternatively, an ion beam sputtering method shown in FIG. 5 can be applied. In FIG. 5, the above-described Mg 2 X solidified body or a solidified body partially containing Mg 2 X can be used as the
When a solidified body containing Mg 2 X in part is used as the solidified body, unreacted Mg and unreacted X in the solidified body react in the gas phase or on the target material to form Mg 2 X. The Mg 2 X can be deposited and formed on the surface of the metal material as a coating. Further, unreacted Mg and unreacted X may be deposited and formed on the surface of the metal material as they are. In the latter case, in order to react unreacted Mg and unreacted X, the deposited layer is preferably subjected to a heating step. The heating temperature in the heating step is the above-described temperature, that is, 150 ° C. or higher and lower than 650 ° C., preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
The compound Mg 2 X thus obtained is composed of nano-scale fine structure particles, and thus has excellent hardness, wear resistance, and corrosion resistance. Further, by forming this compound as a coating on the surface of the metal material, the mechanical properties, wear resistance, and corrosion resistance of the metal material itself can be improved. Therefore, structural parts with high needs for weight reduction, such as motorcycles and automobile parts; home appliance parts; machine parts: care welfare equipment (wheelchairs, care beds, canes, welfare vehicles, etc.) made of pipes and rods; sports products and fishing gear The present invention can be applied to parts and products for which the use of magnesium alloys is desired, such as hobby articles such as, and the like, and the hardness, corrosion resistance, and wear resistance can be greatly improved.
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to a present Example.
出発原料として純Mg粉末(平均粒子径:165μm)と、第4B族元素XとしてSi粉末(平均粒子径:23μm)、Ge粉末(平均粒子径:34μm)、Sn粉末(平均粒子径:44μm)、Pb粉末(平均粒子径:29μm)をそれぞれ準備した。
組成モル比でMg:X=2:1となるように各粉末を秤量・混合し、混合粉末体を得た。
各混合粉末体を前述の図2に示した装置を用いて、常温で強塑性加工工程を行い、円柱形(35mmφ×高さ約30mm)の固化体を得た。なお、図2に示す装置において、金型臼(SKD11鋼製)の内径:35mmφ、圧縮用パンチの外径:34.85mmφ、押込用パンチの外径:25mmφ、先端半径:12.5mmとした。圧縮用パンチによる加圧:1回+押込用パンチによる加圧:1回を1サイクルとし、表2に示すようにその繰り返し回数を200〜600サイクルとして固化体A−1〜A−6を作製した。
また、表2に示すように、比較例として、強塑性加工工程を行わず(表中、「繰り返し回数」がゼロ(0)と記載)にその後、真空熱処理を施し、比較固化体試料A−101〜A−104を得た。なお、熱処理温度は、表2に記載の通りであり、各温度で30分間加熱・保持した。
固化体A−1〜A−6及びA−101〜A−104について、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)および透過型電子顕微鏡(TEM)による組織観察を行い、得られた組織構造写真から画像解析により固化体中に存在するマグネシウム化合物Mg2Xの粒子径を算出した。
また、JIS Z2371に規定された塩水噴霧試験(35℃に管理した5%食塩水)に100時間付した後の試料表面の腐食状況を観察した。
さらに、ビッカーズ硬度計(荷重50g下)を用いて硬さを測定した。これらの結果を表2に示す。
固化体A−1〜A−6は、所定回数の繰り返し強塑性加工を施すことにより、この発明が規定する粒子径、特に300〜500nm以下の微細な粒子径を有するMg2Xを固相合成できることが観察された。また、これらの固化体A−1〜A−6は、優れた耐腐食性およびビッカーズ硬さを有することを確認した。
一方、比較例としての固化体A−101〜A−104は、同一元素粉末を用いたにも関わらず、繰返し強塑性加工工程を施さず、Mg又は元素Xのいずれか一方の融点以上の温度域において加熱する工程を採用したため、液相反応によってMg2Xが合成されている。それによって得られた固化体は、Mg2Xの粒子径が10μmを越えていることが観察された。また、これらの固化体A−101〜A−104は、耐腐食性およびビッカーズ硬さが著しく低い、特に固化体A−1〜A−6と比較すると格段に低いものであった。Pure Mg powder (average particle size: 165 μm) as a starting material, Group 4B element X as Si powder (average particle size: 23 μm), Ge powder (average particle size: 34 μm), Sn powder (average particle size: 44 μm) , Pb powder (average particle size: 29 μm) was prepared.
Each powder was weighed and mixed so that the composition molar ratio was Mg: X = 2: 1 to obtain a mixed powder body.
Each mixed powder body was subjected to a strong plastic working process at room temperature using the apparatus shown in FIG. 2 to obtain a solidified body having a cylindrical shape (35 mmφ × height about 30 mm). In the apparatus shown in FIG. 2, the inner diameter of the die (made of SKD11 steel): 35 mmφ, the outer diameter of the compression punch: 34.85 mmφ, the outer diameter of the pressing punch: 25 mmφ, and the tip radius: 12.5 mm . Pressurization with compression punch: once + pressurization with indentation punch: 1 cycle is one cycle, and the number of repetitions is 200 to 600 cycles as shown in Table 2, and solidified bodies A-1 to A-6 are produced. did.
Further, as shown in Table 2, as a comparative example, a strong plastic working step is not performed (in the table, “repetition count” is described as zero (0)), and then vacuum heat treatment is performed, and comparative solidified sample A- 101-A-104 was obtained. The heat treatment temperature was as shown in Table 2, and was heated and held at each temperature for 30 minutes.
About solidified bodies A-1 to A-6 and A-101 to A-104, the structure was observed with an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), and a transmission electron microscope (TEM). The particle diameter of the magnesium compound Mg 2 X present in the solidified body was calculated by image analysis.
Further, the corrosion state of the sample surface after being subjected to a salt spray test (5% saline controlled at 35 ° C.) defined in JIS Z2371 for 100 hours was observed.
Furthermore, the hardness was measured using a Vickers hardness meter (under a load of 50 g). These results are shown in Table 2.
The solidified bodies A-1 to A-6 are subjected to solid plastic synthesis of Mg 2 X having a particle diameter defined by the present invention, particularly a fine particle diameter of 300 to 500 nm or less, by subjecting it to repeated strong plastic processing a predetermined number of times. It was observed that it could be done. Moreover, it confirmed that these solidified bodies A-1 to A-6 have excellent corrosion resistance and Vickers hardness.
On the other hand, solidified bodies A-101 to A-104 as comparative examples were not subjected to repeated strong plastic working steps despite using the same element powder, and had a temperature equal to or higher than the melting point of either Mg or element X. Since the process of heating in the region is adopted, Mg 2 X is synthesized by a liquid phase reaction. The solidified product thus obtained was observed to have a Mg 2 X particle size exceeding 10 μm. In addition, these solidified bodies A-101 to A-104 have remarkably low corrosion resistance and Vickers hardness, and are particularly low compared with the solidified bodies A-1 to A-6.
出発原料として純Mg粉末(平均粒子径:165μm)とSi粉末(平均粒子径:23μm)を準備し、組成モル比でMg:Si=2:1となるように粉末を秤量・混合し、混合粉末体を得た。混合粉末体を、前述の図2に示した装置を用いて、常温で強塑性加工工程を行い、円柱形(35mmφ×高さ約28mm)の固化体を得た。なお、図2に示す装置において、金型臼(SKD11鋼製)の内径:35mmφ、圧縮用パンチの外径:34.85mmφ、押込用パンチの外径:20mmφ、先端半径:10mm、圧縮用パンチによる加圧:1回+押込用パンチによる加圧:1回を1サイクルとし、その繰り返し回数を300サイクル(A−7)および600サイクル(A−8)とした。
300サイクル処理工程によって得られた固化体A−7についてのみ、さらに350℃で30分間の真空熱処理工程を施した。
600サイクル処理工程によって得られた固化体A−8について、X線回折(XRD)を行った結果を図6に示す。なお、比較として出発原料のXRD結果も併せて図6中、(b)として示す。
図6からわかるように、600サイクル処理を行うことにより得た固化体A−8は、ほぼMg2Si単相からなることがわかる。
また、固化体A−8のTEM観察結果を図7に、真空熱処理後の固化体A−7のTEM観察結果を図8にそれぞれ示す。図7から分かるように、固化体A−8は、100nmを下回るMg2Si微細粒子のみからなることがわかる。図8に示すように、繰り返し強塑性加工工程及び適切な熱処理工程を付して得られた固化体A−7は、100nmを下回るMg2Si微細粒子と500nm前後の結晶粒径のMg2Si粒子とからなることがわかる。Prepare pure Mg powder (average particle size: 165 μm) and Si powder (average particle size: 23 μm) as starting materials, and weigh and mix the powders so that the molar composition ratio is Mg: Si = 2: 1. A powder was obtained. The mixed powder body was subjected to a strong plastic processing step at room temperature using the apparatus shown in FIG. 2 to obtain a solidified body having a cylindrical shape (35 mmφ × height about 28 mm). In the apparatus shown in FIG. 2, the inner diameter of the die (made of SKD11 steel): 35 mmφ, the outer diameter of the compression punch: 34.85 mmφ, the outer diameter of the pressing punch: 20 mmφ, the tip radius: 10 mm, the compression punch Pressurization by 1 time + Pressurization by pressing punch: 1 cycle was defined as 1 cycle, and the number of repetitions was 300 cycles (A-7) and 600 cycles (A-8).
Only the solidified body A-7 obtained by the 300 cycle treatment step was further subjected to a vacuum heat treatment step at 350 ° C. for 30 minutes.
FIG. 6 shows the result of X-ray diffraction (XRD) performed on the solidified body A-8 obtained by the 600 cycle treatment step. For comparison, the XRD result of the starting material is also shown as (b) in FIG.
As can be seen from FIG. 6, it can be seen that the solidified body A-8 obtained by performing the 600 cycle treatment is substantially composed of a Mg 2 Si single phase.
Moreover, the TEM observation result of solidified body A-8 is shown in FIG. 7, and the TEM observation result of solidified body A-7 after the vacuum heat treatment is shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, it can be seen that the solidified body A-8 consists only of Mg 2 Si fine particles of less than 100 nm. As shown in FIG. 8, repeated strong plastic working step and solidified A-7 obtained given the appropriate heat treatment step is below the 100
出発原料として純Mg粉末(平均粒子径:165μm)とSi粉末(平均粒子径:23μm)を準備し、組成モル比でMg:Si=2:1となるように粉末を秤量・混合し、混合粉末体を得た。混合粉末体を、前述の図2に示した装置を用いて、常温で強塑性加工工程を行い、円柱形(35mmφ×高さ約30mm)の固化体を得た。なお、図2に示す装置において、金型臼(SKD11鋼製)の内径:35mmφ、圧縮用パンチの外径:34.85mmφ、押込用パンチの外径:20mmφ、先端半径:10mm、圧縮用パンチによる加圧:1回+押込用パンチによる加圧:1回を1サイクルとし、その繰り返し回数を150サイクルとして固化体A−9を得て、引き続き320℃で30分間の真空熱処理を施し、最終生成物A−9’を得た。
繰り返し強塑性加工後、即ち固化体A−9のTEM観察結果を図9に、真空熱処理後、即ちA−9’のTEM観察結果を図10にそれぞれ示す。
150サイクルの繰り返し強塑性加工後、即ち固化体A−9は、図9(a)に示すように、500nm程度の未反応のSi粒子が一部に存在し、且つ図9(b)に示すように、大半はMgとSiとの固相反応によって合成された粒子径30〜80nm程度のMg2Siが存在する。一方、真空熱処理後、即ちA−9’は、図10に示すように、500nm前後のMg2Siが存在する。これは、強塑性加工後に残存していた未反応Si粒子の大きさにほぼ同じであり、適切な熱処理を施すことにより未反応Si粒子が未反応Mgと反応することで全てがMg2Siへと合成され、且つその粒子径が未反応Si粒子と同程度の粒子径となるものと考えられる。なお、図9及び図10から、繰り返し強塑性加工工程及び熱処理工程を有することにより、所望の特性を有するMg2Siを形成できることがわかる。Prepare pure Mg powder (average particle size: 165 μm) and Si powder (average particle size: 23 μm) as starting materials, and weigh and mix the powders so that the molar composition ratio is Mg: Si = 2: 1. A powder was obtained. The mixed powder body was subjected to a strong plastic working step at room temperature using the apparatus shown in FIG. 2 to obtain a solidified body having a cylindrical shape (35 mmφ × height about 30 mm). In the apparatus shown in FIG. 2, the inner diameter of the die (made of SKD11 steel): 35 mmφ, the outer diameter of the compression punch: 34.85 mmφ, the outer diameter of the pressing punch: 20 mmφ, the tip radius: 10 mm, the compression punch Pressurization with 1 time + Pressurization with indentation punch: 1 cycle is 1 cycle, and the number of repetitions is 150 cycles to obtain a solidified body A-9, followed by vacuum heat treatment at 320 ° C. for 30 minutes. Product A-9 ′ was obtained.
FIG. 9 shows a TEM observation result of the solidified body A-9 after repeated strong plastic working, and FIG. 10 shows a TEM observation result of the A-9 ′ after vacuum heat treatment.
After repeated strong plastic working for 150 cycles, that is, in the solidified body A-9, as shown in FIG. 9A, unreacted Si particles of about 500 nm are partly present, and as shown in FIG. 9B. As described above, Mg 2 Si having a particle diameter of about 30 to 80 nm synthesized by a solid phase reaction between Mg and Si is present. On the other hand, after vacuum heat treatment, that is, A-9 ′, Mg 2 Si of around 500 nm exists as shown in FIG. This is almost the same as the size of the unreacted Si particles remaining after the strong plastic working, and by applying an appropriate heat treatment, the unreacted Si particles react with the unreacted Mg so that everything becomes Mg 2 Si. And the particle diameter is considered to be the same as that of unreacted Si particles. 9 and 10, it can be seen that Mg 2 Si having desired characteristics can be formed by repeatedly including a strong plastic working step and a heat treatment step.
純Mg粉末と純Si粉末を組成モル比で2:1とした混合粉末を、前述図2の方法により固化体とし(BMA回数は600回)、この固化体をスタンプミルを用いて粉砕し粉末とした。その粉末粒径は45μm以下である。
この粉末を70mm×150mm×厚さ1.6mmの軟鋼板上に前述図4の方法でガス溶射を行い、次いで面圧800MPaで加圧成形し、被膜19を形成した。
得られた複合材料について、図11に示すように、X線回折によるMg2Siピークの有無を確認すると共に、図12に示すように、複合材料の断面を光学顕微鏡により観察した。また、JIS Z 2371に規定される中性塩水噴霧試験に100時間付し耐食性を評価した。さらに、ビッカース硬度計を用いて硬さを測定した。
そのX線回折の結果、ガス溶射で被膜を形成させた面からはMg2Siのピークが確認され、また、被膜断面の光学顕微鏡観察によると、軟鋼板と被膜は良好な結合状態にあり、その被膜厚さは50μmであった(図12参照)。
塩水噴霧試験、硬さ測定の結果を表3に示し、その塩水噴霧試験の結果から、Mg2Si被膜を形成した軟鋼板は著しく耐食性が向上することを確認した。A mixed powder of pure Mg powder and pure Si powder in a composition molar ratio of 2: 1 is made into a solidified body by the method shown in FIG. 2 (the number of BMA is 600 times), and this solidified body is pulverized using a stamp mill to obtain a powder. It was. The powder particle size is 45 μm or less.
This powder was subjected to gas spraying on a 70 mm × 150 mm × 1.6 mm thick mild steel plate by the method shown in FIG. 4 and then press-molded at a surface pressure of 800 MPa to form a
The obtained composite material, as shown in FIG. 11, as well as check for
As a result of the X-ray diffraction, a peak of Mg 2 Si was confirmed from the surface on which the coating was formed by gas spraying, and according to the optical microscope observation of the coating cross section, the mild steel plate and the coating were in a good bonding state, The film thickness was 50 μm (see FIG. 12).
The results of the salt spray test and hardness measurement are shown in Table 3. From the results of the salt spray test, it was confirmed that the mild steel sheet on which the Mg 2 Si coating was formed significantly improved the corrosion resistance.
ダクタイル鋳鉄製板に実施例4と同様の方法でMg2Si被膜を形成した。その被膜厚さは光学顕微鏡観察から200μmであった。また、JIS Z 2371に規定される中性塩水噴霧試験に100時間付し、耐食性を評価した結果、及びビッカース硬度計を用いて硬さを測定した結果を表3にそれぞれ示す。A Mg 2 Si film was formed on the ductile cast iron plate in the same manner as in Example 4. The film thickness was 200 μm from observation with an optical microscope. Table 3 shows the results of the neutral salt spray test specified in JIS Z 2371 for 100 hours, the corrosion resistance was evaluated, and the hardness was measured using a Vickers hardness tester.
アルミニウム合金(A5083)板に実施例4と同様の方法でMg2Si被膜を形成した。その被膜厚さは光学顕微鏡観察から200μmであった。
また、JIS Z 2371に規定される中性塩水噴霧試験に100時間付し、耐食性を評価した結果、及びビッカース硬度計を用いて硬さを測定した結果を表3にそれぞれ示す。
これらの結果から、いずれの実施例も、十分な厚みのMg2Si被膜19を有し、耐食性、硬度において優れたものであることが理解できる。An Mg 2 Si coating was formed on an aluminum alloy (A5083) plate in the same manner as in Example 4. The film thickness was 200 μm from observation with an optical microscope.
Table 3 shows the results of the neutral salt spray test specified in JIS Z 2371 for 100 hours, the corrosion resistance was evaluated, and the hardness was measured using a Vickers hardness tester.
From these results, it can be understood that any of the Examples has a sufficiently thick Mg 2
この発明は、以上のように、Siなどのマグネシウム化合物の被膜を有する金属材料としたので、耐食性及び硬さに優れたものとなり、各種構造物などの優れた素材となり得るものを提供できる。 As described above, since the present invention is a metal material having a coating of a magnesium compound such as Si, it has excellent corrosion resistance and hardness, and can provide an excellent material such as various structures.
Claims (3)
Si、Ge、Sn及びPbからなる群から選ばれる元素Xと、マグネシウム(Mg)との化合物Mg2Xからなり、前記Mg2Xの粒子径が10ナノメートル(nm)以上、500ナノメートル(nm)以下である、被膜形成材料。A film forming material for providing a film deposited on the surface of a metal material,
It consists of a compound Mg 2 X of element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb and magnesium (Mg), and the particle diameter of the Mg 2 X is 10 nanometers (nm) or more and 500 nanometers ( nm) or less, a film forming material.
前記混合体に対して塑性加工を繰り返して施すことにより、前記マグネシウムと前記元素Xとを固相反応させて粒子径が10ナノメートル(nm)以上、500ナノメートル(nm)以下のマグネシウム化合物Mg2Xを合成する工程と、
前記マグネシウム化合物Mg2Xからなる材料を被膜形成材料として用いて、金属材料基材の表面に前記被膜形成材料を付着させてMg2Xからなるマグネシウム化合物被膜を形成する工程とを備える、金属材料の製造方法。Each starting material is weighed so that the molar ratio of magnesium (Mg) and element X selected from the group consisting of Si, Ge, Sn and Pb is Mg: X = 2: 1, and both are mixed; ,
A magnesium compound Mg having a particle diameter of 10 nanometers (nm) or more and 500 nanometers (nm) or less by subjecting the magnesium and the element X to a solid phase reaction by repeatedly applying plastic working to the mixture. 2 synthesizing X;
Using a material comprising the magnesium compound Mg 2 X as a film forming material, and a step of forming a magnesium compound coating consisting of Mg 2 X by attaching the film-forming material on the surface of the metal material substrate, a metallic material Manufacturing method.
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